正文 251 物理學之力學 下 文 / 月之輪迴

    代表人物

    1.阿基米德

    古希臘的阿基米德對槓桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等作了系統研究，確定它們的基本規律，初步奠定了靜力學即平衡理論的基礎。

    2.伽利略

    伽利略在實驗研究和理論分析的基礎上，最早闡明自由落體運動的規律，提出加速度的概念。

    3.牛頓

    牛頓繼承和發展前人的研究成果(特別是開普勒的行星運動三定律)，提出物體運動三定律。

    4.阿爾伯特.愛因斯坦

    相對論的創建人，對牛頓力學的諸多問題進行整改、修復和完善，開啟了物理學的新紀元。力的合成與分解公式

    1.同一直線上力的合成同向:f=f1+f2，反向：f=f1-f2(f1>f2)

    2.互成角度力的合成：

    f=(f12+f22+sa)1/2(餘弦定理)f1⊥f2時:f=(f12+f22)1/2

    3.合力大小範圍：|f1-f2|≤f≤|f1+f2|

    4.力的正交分解：fx=fcosβ，fy=fsinβ(β為合力與x軸之間的夾角tgβ=fy/fx)

    註：

    (1)力(矢量)的合成與分解遵循平行四邊形定則;

    (2)合力與分力的關係是等效替代關係，可用合力替代分力的共同作用，反之也成立;

    (3)除公式法外，也可用作圖法求解，此時要選擇標度，嚴格作圖;

    (4)f1與f2的值一定時。f1與f2的夾角(a角)越大，合力越小;

    (5)同一直線上力的合成，可沿直線取正方向。用正負號表示力的方向，化簡為代數運算。發展趨勢

    (1)固體力學

    經典的連續介質力學將可能會被突破。新的力學模型和體系。將會概括某些對宏觀力學行為起敏感作用的細觀和微觀因素，以及這些因素的演化，從而使複合材料(包括陶瓷、聚合物和金屬)的強化、韌化和功能化立足於科學的認識之上。

    固體力學將融匯力-熱-電-磁等效應。機械力與熱、電、磁等效應的相互轉化和控制，目前大都還限於測量和控制元件上，但這些效應的結合孕育著極有前途的新機會。近來出現的數百層疊合膜「摩天大廈」式的微電子元器件，已迫切要求對這類力-熱-電耦合效應做深入的研究。以「ics」為代表的微機械、微工藝、微控制等方面的發展，將會極大地推動對力-熱-電-磁耦合效應的研究。

    （2）流體力學

    今後，航天飛機和新一代的超聲速民航機的成功研製將首先取決於流體力學的進展。在有關的高溫空氣動力學中必須放棄原先的熱力學平衡的假定。吸氣式發動機中h2。o2在超聲速流動狀態下的混合、點火等，都是過去的理論和實踐未能解決的難題。超聲速流邊界層的控制、減阻以及降噪控制等也帶來一系列新問題。

    （3）一般力學

    一般力學近來已開始進入生物體運動問題的研究，研究了人和動物行走、奔跑及跳躍中的力學問題。這種在宏觀範圍內對生物體進行的研究，已經帶來了一些新的結果。億萬年生物進化的結果，的確把優化的運動機能賦與了生存下來的物種。對其進一步研究，可以提供生物進化方向的理性認識，也可為人類進一步提高某些機構或機械的性能提供方向性的指導。以下幾個方面的問題應當給予充分重視：(1)固體的非平衡/不可逆熱力學理論；(2)塑性與強度的統計理論；(3)原子乃至電子層次上子系統(原子鍵，位錯，空位等缺陷)的動力學理論。為深入進行這些研究，應當充分利用與開發計算機模擬(如分子動力學)和現代宏、細、微觀實驗與觀測技術。工科離不開力學。在工科基礎課中，開設了不同的力學課程：理論力學，假設物體不發生變形。用傳統數學物理方法研究一切質點，物體的運動，靜力學和動力學原理，機械原理的理論基礎。材料力學，傳統方法研究物體在各種載荷下，包括靜力，靜扭矩，靜彎矩，振動。碰撞等，機械零部件和裝配設計。機械加工的理論基礎。流體力學，研究一切流體在容器、管道中運動規律和力學特性。液壓、氣動、熱分析的理論基礎。分析力學，使用計算數學方法分析力學有限元素法，把受力對像拆解成有限個元素，對每個元素進行受力分析，通過聯立偏微分方程組，用泛函求解，計算出每個元素，每個節點的應力應變。聯立方程組可化為剛度矩陣和自由度組成的矩陣方程。

    （4）生物力學

    當今生物力學發展正經歷著深刻的變化。生命科學與包括力學在內的基礎和工程科學交叉、融合目前已愈來愈成為當今生命科學的研究熱點，同時也是力學學科的新生長點。基礎研究逐步精細化及定量化，大量數據的積累要求模型化及數學化，為生物力學研究開闢了新的用武之地。現代分子和細胞生物學既提出大量新課題，又帶來了許多新工具，推動著生物力學由宏觀向微（細）觀深入、並強調宏-微（細）觀相結合。實際應用的不斷湧現，催生著以解決與應用相關的工程技術問題為目標的新的生物工程學。這一新的生物工程學遠遠超出了基於微生物的、以發酵工程為標誌的生物技術及以醫療儀器研發為目標的生物醫學儀器這兩個傳統的領域。不斷尋求新的力學和物理原理與方法，與生命科學及其它基礎和工程科學進一步融合，已成為當今生物力學發展的主要特色。當今生物力學正經歷從「xxbio=bio-x」（交叉）到「bioxx=x-bio」（融合）的轉變。在基礎研究層面上，它將與生物物理學、生物數學、生物信息學、生物化學等緊密結合，重點研究生物學的定量化和精確化問題；在應用研究層面上，組織工程、藥物設計與輸運、血流動力學、骨

    骨-肌肉-關節力學等正在或已經得到臨床或工業界的認同，其核心是解決關鍵技術問題。

    當前生物力學的發展特點可大致歸納為：內涵擴大（生物醫學工程；生物工程），有機融合（生命科學與基礎和工程科學），微觀深入（細胞-亞細胞-分子層次；定量生物學），以及宏觀-微觀相結合（組織工程、器官力學；信息整合與系統生物學）。宏觀生物力學研究仍為主流，但宏觀-微觀相結合、微觀生物力學研究發展十分迅速。當前生物力學發展的前沿領域主要包括：1）細胞-分子力學；2）器官-組織力學；3）骨骼-肌肉-關節力學；4）生物力學新概念、新技術與新方法等。

    （5）環境力學

    環境力學是力學與環境科學相互結合而形成一門新興交叉學科，主要研究自然環境中的變形、破壞、流動、遷移及其伴隨的物理、化學、生物過程和導致的物質、動量、能量輸運，定量化描述環境的演化規律和對人類生存環境的影響。環境力學的發展十分有利於深化人們對環境問題中的物理過程和基本規律的認識，促進環境問題的定量化研究。

    21世紀的環境力學研究，既要注重學科發展的自身規律和要求，又要緊密結合國家需求和工程實際，將機理研究、規律分析與防治措施有機地結合起來。結合中國的經濟和社會發展需求，中國的環境力學研究必須抓住一個基礎（複雜介質流動和多過程耦合）、兩個經濟發展地區（西部和沿海）、三個方面（水環境、大氣環境、災害與安全），確立重點發展領域，促進學科的發展。

    一方面，強調環境力學中的共性科學問題，包括：(1)環境流動與輸運的基本方程和求解方法；(2)氣、液、固界面的耦合；(3)多相、多組分、多過程，以及多尺度的耦合分析等；(4)「環境力學」中模型實驗的尺度效應問題等。

    另一方面，瞄準西部開發和沿海經濟開發，以及重大工程和影響的實際環境問題，包括：(1)西部乾旱、半乾旱環境治理的動力學過程—土壤侵蝕機理、沙塵暴形成和輸送機理、以及荒漠化治理；(2)以水或氣為載體的物質輸運過程—污染物排放過程的精確預報、河口海岸泥沙、污染物輸運及其對生態環境的影響規律；(3)重大環境災害發生機理及預報—熱帶氣旋、風暴潮/洪水預測、滑坡/泥石流產生機理、全球變暖。(未完待續)